单轴高频电液振动试验台控制器的研究

论文摘要

电液振动试验台作为可靠性试验的关键设备,广泛应用于许多重要的工程领域,如航天器、车辆、船舶的环境试验；工程材料高频疲劳试验；桥梁、高层建筑等大型工程的抗震试验等,电液振动试验台性能好坏,技术水平的高低直接影响到各个工业领域技术的进步和发展,因此,对电液振动试验台的研究是一项非常重要的基础研究。传统的阀控缸或马达构成的电液振动台,受制于伺服阀的频响性能很难实现高频振动。2D阀的阀芯具有旋转和轴向滑动的双自由度,以2D阀为核心的2D阀控电液振动台能够实现2000Hz以上的高频振动。2D阀控电液振动台的控制分为频率控制、幅值控制和偏置控制三个方面。阀芯的转速和轴向位移分别用于振动频率和振幅的独立控制。由于2D阀的转阀结构,2D阀控电液振动台不能像一般的电液伺服系统一样通过引入一个偏置信号构成闭环的方式实现偏置控制。因此采用数字伺服阀和2D阀、单出杆液压缸并联的方式实现偏置控制。具体研究内容如下：第一章,论述了振动试验台的国内外研究现状及其发展趋势,阐述本论文的研究目的和研究意义。第二章,建立了2D阀控电液振动台的数学模型,并采用了4阶Runge-Kutta方法,在MATLAB下仿真振动台的振幅分别和激振频率和轴向阀口开度的关系。第三章,介绍了2D阀控电液振动台的偏置控制的原理。第四章,介绍了基于DSP的振动台控制器软、硬件设计方案。该控制器用于实现振动台的频率控制、幅值控制以及偏置控制。第五章,搭建实验平台,通过实验测得当偏置位置控制电压从6V阶跃到8V时偏置控制系统的阶跃响应时间为2.5s、稳态误差为3.04%。激振器以1Hz的频率作偏置振动时振动中心的稳态误差为0.3%,以100Hz的频率作偏置振动时振动中心稳态误差为1.35%。通过控制器控制振动台的激振频率,得到了振动台在100Hz、400Hz、1000Hz、1500Hz时的加速度频谱图。通过控制器控制振动台的幅值,得到了振动台在0.5mm、1mm、1.5mm轴向阀口开度时的激振位移波形。第六章,对论文所做的研究工作进行了总结,并对控制器下一步的改进工作做了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和研究意义
• 1.2 振动试验台国内外研究现状
• 1.2.1 振动试验台概述
• 1.2.2 振动试验台国外研究现状
• 1.2.3 振动试验台国内研究现状
• 1.2.4 振动试验台控制器研究进展
• 1.3 振动试验台发展趋势
• 1.4 论文选题意义及研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 2D阀控电液振动台数学建模与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 2D阀控电液振动台工作原理
• 2.3 2D阀控电液振动台的数学建模
• 2.3.1 2D阀口面积数学模型
• 2.3.2 特性支配方程
• 2.4 Runge-Kutta法介绍
• 2.4.1 初值问题数值解的基本概念
• 2.4.2 Taylor方法
• 2.4.3 Runge-Kutta法
• 2.5 仿真分析
• 2.5.1 仿真参数
• 2.5.2 仿真结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 2D阀控电液振动台的偏置控制
• 3.1 引言
• 3.2 2D阀控电液振动台工作原理
• 3.3 偏置控制的实现
• 3.3.1 数字伺服阀工作原理
• 3.3.2 偏置控制原理
• 3.3.3 偏置控制系统组成
• 3.3.4 反馈角度的PID算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 2D阀控电液振动台控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制器硬件设计
• 4.2.1 控制器总体硬件框图
• 4.2.2 DSP控制模块
• 4.2.3 控制信号源模块
• 4.2.4 永磁同步电机驱动模块
• 4.2.5 永磁同步电机转速/位置闭环接口电路
• 4.2.6 D/A转换模块
• 4.2.7 串口通信模块
• 4.2.8 DSP电源模块
• 4.2.9 偏置控制器硬件设计
• 4.3 控制器软件设计
• 4.3.1 A/D信号调速
• 4.3.2 转速、转角信号的获取
• 4.4 本章小结
• 第5章 2D阀控电液振动台的实验
• 5.1 实验系统构成
• 5.2 偏置控制系统的阶跃响应实验
• 5.3 振动台偏置控制实验
• 5.3.1 低频时的偏置控制实验
• 5.3.2 高频时的偏置控制实验
• 5.4 振动台频率控制实验
• 5.4.1 低频时的频率控制实验
• 5.4.2 高频时的频率控制实验
• 5.5 振动台幅值控制实验
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果